城郊矿通风系统现状分析及优化改造

宋晓燕，谢中朋

(1. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2. 首都经济贸易大学 安全与环境工程学院，北京 100070)

0 引言

稳定可靠的通风系统是矿井安全生产的根本保障。影响矿井通风系统稳定性的因素很多，主要包括通风动力装置、通风网络结构和自然风压等[1]。

由于井下采掘活动、采区的接替、矿井开拓工程的延伸等使矿井风网结构处于动态的变化之中，同时也使通风系统的稳定性处于动态变化，有可能使本来稳定的通风系统变的不稳定。虽然通风系统的风网结构是可以预先规划的，但由于通风巷道变形、阻塞以及井下通风设施设置的不合理使得系统风阻增大、风量分配不合理[2-4]。其次，对高阻、多风井复杂系统，随着不断开采，主要通风机性能逐渐降低；另外，设备运行、大气压变化、自然风压的变化对通风系统也有冲击，这样就使可能本来稳定可靠的通风系统变的不稳定、不可靠[5,6]。由此可见，从整个矿井风网的稳定性角度出发，对影响风网稳定性的通风设施、网络结构和外界因素进行研究，并进一步对系统高阻巷道、通风设施、角联风路等进行一系列的通风系统优化改造和进行计算机模拟解网与预测分析，以期实现风机与风网之间的合理匹配，使矿井通风系统始终处于一种安全、稳定、经济而可靠的运行状态[7]。这对于提高风网稳定性和可靠性，最大程度地减少事故的发生是极为重要的。

1 矿井概况

城郊煤矿于2003年10月11日正式投产，现年核定生产能力500万t/a。矿井采用立井多水平上、下山开拓方式，第一水平标高-495m，第二水平标高-800m。采用走向长壁和倾斜长壁采煤法，采煤工艺为综采。矿井为混合抽出式通风方式；进风井有主、副立井和西进风井三个井筒，回风井有东风井，西风井，北风井三个井筒。分别安装两台风机，一用一备，东风井风机型号为FBCDZ-№30/2×560(A)，工作功率521kW；西风井风机型号为FBCDZ-№28/2×450(1#)，工作功率477KW；北风井风机型号为FBCDZ-№26/2×355(A)，工作功率514KW。通风系统示意图如附图1所示。

2 通风系统现状分析

在2014年10月对城郊煤矿通风阻力测定的基础上，就所发现的问题拟定了一系列通风系统优化改造方案。

1) 通过阻力测定发现矿井东翼系统阻力分布不太合理，用风段所占阻力百分比较大，究其原因主要是东翼无最大通风路线，通风设施多，且设置不合理所致，如最远的21110工作面回风顺槽风窗压差达到440Pa，21307工作面回风段风窗压差达到350Pa。三个风井系统阻力和部分高阻巷道分别如表1和表2所示。

表1 各系统阻力分布表

表2 高阻巷道参数表

2) 通过表1可知东风井系统阻力大，风机能力不足，东翼回风有1100m3/min经“-495胶带运输石门”(91～92段)流向北风井；即东、北风井系统之间没有独立通风，一个采区的回风流向两个风井系统，一旦发生灾变势必造成灾害扩大。为实现通风系统的稳定性和各系统之间的独立通风，在全矿井范围内测定基础上，必须对各系统主要通风路线的阻力及各系统之间的压力差和过风量进行精确测定，为后续的系统调整及角联控制提供技术参数。

3) 东风井系统阻力超出《煤矿井工开采通风技术条件》对矿井通风阻力2500Pa的要求，“东翼胶带暗斜井”其阻力就占该系统总阻力的30%以上，究其原因主要是风量过于集中，装设的大皮带机面积大，使巷道有效过风面积小所致。

3 矿井通风系统优化及解网分析

3.1 方案Ⅰ：东翼开专回

由于东翼系统高阻段主要集中在“东翼胶带暗斜井”段，为了降低东翼系统通风阻力和实现了东、北风井系统的独立通风，做以下系统改造：

1) 在东翼新打专用回风巷(13～18段)即相当于“东翼胶带暗斜井”的并联回风巷，该专用回风巷长1500 m、断面13 m2、半圆拱形状锚喷支护，以降低东翼系统通风阻力。

2) 将“-495胶带运输石门”(91～92段)间的调节风窗改为永久风门。使东、北翼系统实现独立通风。

在满足各用风地点需风要求的情况下，通过网络解算东翼风井风机风压为2335 Pa、东翼系统阻力为2543.2 Pa、风量为7321.0 m3/min、风机功率为223.5 kW；北风井、西风井风机工况略有降低。东风机功率比改造前降低了135.1 kW。该方案优点：东翼系统阻力大大降低，东、西风井系统实现了独立回风，大幅度降低电耗，提高了有效风量。缺点：施工工期长，投资大。在施工期间对生产有一定影响。

3.2 方案Ⅱ：“东翼胶带暗斜井”拆除皮带，简化通风设施

由于北翼即将回采完毕，西翼阻力不超出《煤矿井工开采通风技术条件》对矿井通风阻力2940Pa的要求[8]。由于对高阻巷道进行扩巷降阻，将增大投资，并对生产造成一定影响。因此本方案只对东翼系统进行改造。具体如下：

1) 由于东翼2704、2505工作面即将回采完毕，二水平东翼无采矿活动，而二水平南翼煤炭可经“南翼胶带暗斜井”运往主井。因此，本方案将“东翼胶带暗斜井”(13～16段)内皮带拆除，以降低东翼系统风阻；

2) 拆除21110工作面回风顺槽的风窗，同时调大21307工作面回风段风窗的过风面积，以降低工作面回风段风阻；

3) 将“-495胶带运输石门”(91～92段)间的调节风窗改为永久风门。使东、北翼系统实现独立通风。

在满足各用风地点需风要求的情况下，通过网络解算东风井风机风压为1881.7 Pa，系统阻力为2089.9 Pa，比改造前降低了1217.1 Pa；风机功率为223.5 kW，比改造前降低了135 kW。北风井、西风井系统阻力基本不变。同时21307工作面的风量由1573.1 m3/min增加到1730.8 m3/min；21110工作面的风量由1134 m3/min增加到1369.8 m3/min。该方案优点：降低了东翼风阻，提高有效风量，实现了东、北风井系统的独立回风，施工工期短，施工方便，投资少；在施工期间对生产无影响。缺点：无。

3.3 方案Ⅲ：关闭北风井风机，将北风井改为进风井

由于北翼系统C2401、C2405工作面即将回采完毕，亟时北翼只保留部分硐室及巷道用风。因此，保留北风井风机已无必要。本方案拟通过把北风井改为进风井，通风系统由“三进三回”改为“四进二回”，即主井、副井、西进风井、北风井进风，东风井、西风井回风。具体如下：

1) 同方案II，将“东翼胶带暗斜井”(13～16段)内皮带拆除；

2) 在“-495北翼胶带运输大巷”(43～44)段安设调节风窗；

3) 拆除“-495胶带运输石门”(91～92)段风门；

4) 对井下各翼系统风量按需分配。

在满足各用风地点需风要求的情况下，通过网络解算东翼风井风机风压为1939 Pa、系统阻力为2147.2 Pa、风量为7446.0 m3/min、风机功率为240.6 kW；西风井风机风压为2390 Pa、系统阻力为2551.6 Pa、风量为10980.0 m3/min、风机功率为437.4 kW。风机总功率比改造前降低了139 kW。两风井系统皆满足《煤矿井工开采通风技术条件》对矿井通风阻力的要求。该方案优点：东、西风井系统实现了独立回风，大幅度降低电耗，提高有效风量，且施工工期短，施工方便，投资少。缺点：在施工期间对生产有一定影响。

4 结论

通过对井下现场实测摸清了城郊矿通风系统阻力分布规律及存在的问题，通过通风系统的优化改造，城郊矿的通风系统趋于经济合理，确保了通风系统的高效、稳定可靠。

1) 通过分析比较，在方案Ⅰ中通过对东翼新打专用回风巷(13—18段)，对提高东翼用风地点风量、降低阻力效果非常显著，但同时也导致投资增大且对生产有一定影响；在方案Ⅱ中通过对高阻巷“东翼胶带暗斜井”(13—16段)拆除皮带，同时对通风设施进行调整，对于降低东翼系统阻力、提高用风地点风量效果非常显著；使东翼风机能力足以保证东翼系统的用风，实现了东、北翼系统间的独立通风，且施工周期短投资很小。在方案Ⅲ中，将北风井筒改为进风井”，既降低了整个通风系统的风阻，又减少了一个风井风机的运行，且实现了东、西风井系统的独立回风；该方案的实施不仅降低了通风电耗、且施工周期短投资很小、便于通风系统的管理，而且提高了矿井通风系统的稳定性。

2) 通过对上述诸方案比较可知，方案Ⅱ、方案Ⅲ无论从经济性、施工周期、实施效果方面都比方案Ⅰ更优，因此矿方可根据自身情况按方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅰ顺序有计划、有步骤的实施。

3) 根据城郊矿通风阻力测定所发现的问题，拟定了通风系统优化(改造)方案，并对诸方案进行了较为科学的解算、分析与决策。这种生产矿井通风状况的实时仿真与通风状态的预测模拟，通风系统优化调整(改造)方案的风网解算与优化比较，对于深刻了解通风系统现状所存在的问题以及通风系统优化改造(调整)时的通风机工况优选、矿井风量调节、网络结构调整，乃至提高整个矿井通风系统的调节应变能力和防灾抗灾能力等均具有重要的现实指导意义。

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附图 城郊矿通风系统示意图